Anwendung von „Hardware-in-the-Loop“- Tests n in der Fahrzeugsteuerung

Wichtigste Erkenntnisse

• „Hardware-in-the-Loop“ ist dann am effektivsten, wenn das Timing des Controllers, die Schnittstellen und die Fehlerbehandlung die wichtigsten Unbekannten sind.
• Die Qualität des Anlagenmodells sollte der Steuerungsfrage entsprechen und ausreichend detailliert sein, um die Dynamik, die das Verhalten des Reglers bestimmt, nachzubilden.
• Die Ergebnisse aus Labor- und Fahrzeugversuchen sollten sich bestätigen und miteinander in Einklang stehen, während frühe Anlagenmodelle zunächst grundlegende Unsicherheiten beseitigen sollten.

Teams im Bereich der Fahrzeugsteuerung erhalten schneller bessere Antworten, wenn sie „Hardware-in-the-Loop“ einsetzen, nachdem ein Anlagenmodell die grundlegende Steuerungsfrage geklärt hat.

Bei der „Hardware-in-the-Loop“- Tests im Automobilbereich wird der Serienregler in einen geschlossenen Regelkreis mit einer simulierten Anlage eingebunden, sodass Sie das Verhalten des Reglers überprüfen können, bevor ein vollständiger Fahrzeug- oder Prüfstandsaufbau bereitsteht. Das ist wichtig, da moderne Regelungssoftware direkten Einfluss auf die Sicherheit hat. Die elektronische Stabilitätskontrolle senkt das Risiko tödlicher Alleinunfälle bei Personenkraftwagen um 49 % und bei Geländewagen um 59 %. Ein „Hardware-in-the-Loop“-Test ist wertvoll, funktioniert jedoch am besten, nachdem das Anlagenmodell bereits die grundlegenden Fragen zu Regelgesetz, Grenzwerten und der erwarteten Anlagenreaktion beantwortet hat.

Teams greifen oft zu früh auf eine Bench-Rig-Lösung zurück, weil die Hardware greifbarer wirkt und mehr Vertrauen vermittelt. Dieser Instinkt verlangsamt das Programm, wenn die offene Frage noch das Verhalten des Systems und nicht die Interaktion mit der Hardware betrifft. Ein gutes Systemmodell ermöglicht es Ihnen, Fälle viel früher zu optimieren, Fehler zu simulieren und zu wiederholen – mit weniger Einrichtungsaufwand und klareren Zusammenhängen. „Hardware-in-the-Loop“ sollte erst dann zum Einsatz kommen, wenn Reglerschnittstellen, Timing und Fehlerbehandlung zum Hauptrisiko werden.

„Hardware-in-the-Loop“- Tests n im Automobilbereich schließen den Regelkreis

Das „Hardware-in-the-Loop“- Tests -Verfahren für die Automobilindustrie lässt den eigentlichen Regler mit einem simulierten Fahrzeug oder Teilsystem zusammenarbeiten, sodass Sie Regelausgänge, die Verarbeitung von Eingaben und das Timing unter reproduzierbaren Bedingungen überprüfen können. Es schließt den Regelkreis mit Serienhardware, wodurch es bei Integrationsfragen zuverlässiger ist als eine Desktop-Simulation.

Ein gutes Beispiel hierfür ist ein Motor-Wechselrichter-Regler. Der Regler liest Drehzahl-, Strom- und Temperatursignale aus dem Simulator aus und sendet anschließend Impuls- und Drehmomentbefehle zurück an die simulierte Anlage. Anhand dieses Aufbaus lässt sich erkennen, ob der Regler zu früh in die Sättigung geht, einen Grenzbereich verfehlt oder einen Sensorfehler falsch verarbeitet. Man muss nicht mehr raten, wie sich der Code auf einem Laptop verhalten wird, sobald er auf die tatsächlichen Ein- und Ausgangskanäle trifft.

Dieser Unterschied ist von Bedeutung, da viele Regelungsprobleme nicht allein auf das Regelgesetz zurückzuführen sind. Sie entstehen durch Skalierung, Quantisierung, Latenz und Fehlersignalisierung über Schnittstellen hinweg. Eine „Hardware-in-the-Loop“-Konfiguration für die Automobilindustrie bietet Ihnen Reproduzierbarkeit, ohne dass Sie auf den Bau eines Fahrzeugs warten müssen, und stellt dennoch sicher, dass die Reglerhardware zuverlässig arbeitet. Sie ersetzt zwar nicht die Systemmodellierung, deckt jedoch Integrationsprobleme auf, die bei einer reinen Softwaresimulation verborgen bleiben.

Verwenden Sie „Hardware-in-the-Loop“, wenn das Timing der Schnittstelle entscheidend ist

„Hardware-in-the-Loop“ ist die richtige Wahl, wenn die größte Unsicherheit im Timing des Reglers, in den Signalschnittstellen, in der Aufgabenplanung oder im Netzwerkaustausch liegt. Sobald das Verhalten der Anlage verstanden ist, sollten Sie zu „Hardware-in-the-Loop“ übergehen, um zu prüfen, ob sich der Regler unter realistischen Ausführungsbedingungen weiterhin korrekt verhält.

Stellen Sie sich einen elektrischen Achsregler vor, der in der Desktop-Simulation das richtige Drehmoment erzeugt, bei Spitzenauslastung des Busverkehrs jedoch eine Anforderung zur Drehmomentreduzierung übersieht. Das Regelgesetz ist zwar in Ordnung, doch der Scheduler und das Kommunikations-Timing führen zu einem Fehlerpfad. Ein Hardware-in-the-Loop-Test wird dieses Problem aufdecken, da der reale Regler seine Aufgaben ausführt, Eingaben umwandelt und Ausgaben veröffentlicht – und zwar unter denselben Lastbedingungen, unter denen das System im Einsatz sein soll.

An dieser Stelle macht sich die Arbeit am Prüfstand bezahlt. Wenn Sie sich immer noch fragen, wie sich Reifenschlupf, Motorinduktivität oder Kühlmitteltemperatur auf den Regelwert auswirken, bleiben Sie beim Anlagenmodell. Sobald die Frage lautet: „Erreicht der Regler mit diesem Timing und dieser Schnittstellenauslastung noch den Sollwert?“, ist Hardware-in-the-Loop der bessere nächste Schritt.

Die Genauigkeit des Pflanzenmodells bestimmt den Wert jedes Tests

Die Genauigkeit des Systemmodells bestimmt, was ein Hardware-in-the-Loop-Test tatsächlich nachweisen kann. Man benötigt genügend Details, um die für den Regler relevanten Systemdynamiken nachzubilden, benötigt jedoch nicht für jeden Testfall ein vollständiges Fahrzeugmodell.

Ein Beispiel hierfür ist ein Regler zur Batteriekühlung. Wenn es darum geht, die Logik für den Lüfterbetrieb und die Behandlung von Temperaturschwellenwerten zu überprüfen, reicht ein konzentriertes thermisches Modell aus. Wenn es hingegen darum geht, die Drehmomentreduzierung bei steigender Zelltemperatur während intensiver Fahrzyklen zu validieren, muss das Modell die thermische Trägheit, die Sensorplatzierung und die Grenzen der Stellglieder berücksichtigen. Eine zu geringe Genauigkeit an der falschen Stelle führt zu sauberen Diagrammen und schwachen Belegen.

Sie sollten die Genauigkeit direkt an die Steuerungsfrage knüpfen und den Umfang des Modells auf diesen Bedarf abstimmen. Ein zu hoher Detaillierungsgrad in einem irrelevanten Teilsystem verschwendet Aufwand und verlangsamt die Testausführung. Fehlende Dynamik im Bereich des Regelkreises führt zu falschem Vertrauen. Gute „Hardware-in-the-Loop“-Arbeit im Automobilbereich beginnt mit einem Modell, das selektiv und transparent ist und genau auf das spezifische Verhalten abgestimmt ist, das Sie testen müssen.

„Sobald sich die Frage stellt: ‚Erreicht der Controller das Ziel bei diesem Timing und dieser Schnittstellenauslastung noch?‘, ist ‚Hardware-in-the-Loop‘ der bessere Ansatz.“

Erstellen Sie das Anlagenmodell anhand messbarer Kontrollfragen.

Die Erstellung eines Anlagenmodells sollte von den Bestehens- und Fehlkriterien, den benannten Signalen und den erwarteten Reglerreaktionen ausgehen. Ein überschaubares Modell mit klar messbaren Ausgangsgrößen ist wertvoller als ein umfangreiches Modell, das nicht erklären kann, warum ein Test bestanden oder nicht bestanden wurde.

Ein Team, das sich mit Bremssteuerungen befasst, legt möglicherweise vor der Erstellung des Modells den Radgeschwindigkeitsfehler, den Schlupf-Sollwert, die Druckaufbaugeschwindigkeit und die Zeitdauer der Fehlerverriegelung fest. Anhand dieser Größen lässt sich erkennen, welche Zustände, Verzögerungen und Nichtlinearitäten zum Regelkreis gehören. Teams, die in dieser Phase SPS SOFTWARE einsetzen, profitieren in der Regel von editierbaren Gleichungen und sichtbaren Parametern, da das Testmodell die Analyse unterstützen und interpretierbare Ablaufverläufe liefern muss.

Außerdem müssen Sie sich vor dem Anschluss des Reglers über Abtastzeiten, Signalskalierung und Fehler-Einschleifpunkte abstimmen. Diese Vorbereitung spart später unnötigen Zeitaufwand im Labor. Wenn Sie die Regelungsfrage in einem Satz formulieren und die Signale benennen können, die diese beantworten, ist Ihr Anlagenmodell bereit für die „Hardware-in-the-Loop“-Testarbeiten.

Bei einem „Hardware-in-the-Loop“-Test werden Regler mit Modellen verbunden

Bei einem Hardware-in-the-Loop-Test werden der physische Regler, seine Ein- und Ausgangsschnittstellen, die Kommunikationskanäle sowie eine simulierte Anlage, die das Subsystem oder die Fahrzeugdynamik abbildet, miteinander verbunden. Das Ergebnis ist ein geschlossener Regelkreis, der es ermöglicht, das Verhalten des Reglers unter reproduzierbaren Betriebs- und Fehlerbedingungen zu beobachten.

Eine typische Konfiguration für eine Getriebesteuerung umfasst die Zuordnung analoger und digitaler Ein- und Ausgänge, Netzwerkmeldungen, die Emulation von Stellgliedern, Fehlerinjektionspunkte und synchronisierte Protokollierung. Man injiziert einen fehlenden Sensorimpuls, einen Spannungsabfall oder einen verschobenen Kalibrierungswert und beobachtet dann die Reaktion der Steuerung, ohne dabei das Risiko einer Hardwarebeschädigung einzugehen. Diese Wiederholbarkeit ist der praktische Grund, warum Teams „Hardware-in-the-Loop“ nutzen, anstatt direkt zur Fahrzeugzeit überzugehen.

Die folgende Checkliste hilft dabei, häufig gestellte Fragen zu Fahrzeugsteuerungen der richtigen ersten Testphase zuzuordnen.

Testszenarien sollten sich an Kontrollrisiken und Fehleranfälligkeiten orientieren

Testszenarien sollten anhand der Kriterien Kontrollrisiko, Fehleranfälligkeit und Sicherheitsauswirkungen ausgewählt werden. Die einfache Automatisierbarkeit sollte erst an zweiter Stelle stehen. Die besten „Hardware-in-the-Loop“-Konzepte legen den Schwerpunkt auf Zustände, in denen der Regler unter den Bedingungen von Verzögerung, Rauschen, Sättigung und beeinträchtigter Sensorik korrekt reagieren muss.

Die automatische Notbremsung ist ein eindeutiges Beispiel dafür. Frontalaufprallvermeidungssysteme mit automatischer Bremsfunktion im Stadt- und Überlandverkehr reduzieren Front-Heck-Unfälle um etwa 50 %. Eine solche Steuerungsfunktion erfordert die Abdeckung von Szenarien wie Sensorausfällen, Fehlzielen, verminderter Reibung und Aktuatorverzögerungen, da ein übersehener Grenzfall direkte Sicherheitsrisiken mit sich bringt.

Eine risikobasierte Auswahl steigert zudem die Effizienz. Man benötigt keine Hunderte von einfachen, ähnlichen Fällen, wenn bereits fünf schwierige Fälle die Schwachstellen des Reglers aufdecken. Eine Fehlermatrix, die mit Sicherheitszielen, Betriebszuständen und Wiederherstellungslogik verknüpft ist, liefert aussagekräftigere Erkenntnisse als eine lange Testliste, die aus Bequemlichkeit erstellt wurde. Ein gutes Hardware-in-the-Loop- Tests us ist selektiv und diszipliniert.

Benchmark-Tests sollten erst durchgeführt werden, nachdem die Kontrollfragen in den Modellen beantwortet wurden.

Prüfstandversuche sind am nützlichsten, nachdem Anlagenmodelle die Unsicherheit hinsichtlich der Regelungsstrategie verringert haben und das „Hardware-in-the-Loop“-Verfahren das Ausführungsverhalten überprüft hat. Wenn man die Hardware zu früh auf den Prüfstand bringt, verbringt man Zeit damit, Vorrichtungen zusammenzubauen, um Fragen zu klären, die ein Modell schneller beantwortet hätte.

Diese Anzeichen deuten in der Regel darauf hin, dass Sie noch eine Weile beim aktuellen Pflanzenmodell bleiben sollten:

• Die zu erwartende Reaktion der Pflanze ist nach wie vor umstritten.
• Ihre „Bestanden“- und „Nicht bestanden“-Signale wurden nicht definiert.
• Das Regelgesetz muss noch hinsichtlich der Grundverstärkung oder der Grenzwerte optimiert werden.
• Fehlerfälle lassen sich noch nicht eindeutig bestimmten Steuerungsaktionen zuordnen.
• Der Aufwand für den Aufbau des Prüfstands ist größer als die gestellte Frage.

Ein Regler für den Kühlkreislauf zeigt die Kosten auf, die durch das Überspringen dieses Befehls entstehen. Wenn die Pumpendynamik und die Sensorverzögerung noch ungewiss sind, liefert ein Prüfstand mehrdeutige Ergebnisse, über die man tagelang diskutieren kann. Sobald das Anlagemodell diese Effekte berücksichtigt hat, eignet sich der Prüfstand für die Überprüfung der Rohrleitungen, der Gehäuse und der Hardware-Toleranzen. Sie werden weniger Zeit damit verbringen, Symptomen hinterherzujagen, und mehr Zeit damit, bekannte Erwartungen zu bestätigen.

„Übersichtliche, physikalisch fundierte Anlagenmodelle helfen Ihnen dabei, schon frühzeitig gezieltere Fragen zu stellen, sodass ‚Hardware-in-the-Loop‘ dort zum Einsatz kommt, wo es den größten Mehrwert bietet, und die Zeit im Fahrzeug für die Korrelation genutzt wird statt für die Fehlerbehebung bei der grundlegenden Steuerung.“

„Hardware-in-the-Loop“- Tests en erfordern weiterhin eine Fahrzeugkorrelation

Das „Hardware-in-the-Loop“- Tests hat seine Grenzen, da jedes Modell bestimmte Aspekte ausklammert und jeder Regler mit Rauschen, Toleranzen und Kopplungseffekten konfrontiert ist, die sich nur schwer vollständig abbilden lassen. Es bedarf weiterhin einer Korrelation zwischen Prüfstand und Fahrzeug, um sicherzustellen, dass das simulierte System das gemessene Verhalten so genau widerspiegelt, dass die beabsichtigte Aussage zutrifft.

Schwankungen der Reifenkraft, mechanische Nachgiebigkeit, thermische Einwirkung, Leitungsrauschen und Streuungen bei den Sensoren in der Produktion können die Ergebnisse verfälschen, selbst wenn eine „Hardware-in-the-Loop“-Testreihe zunächst einwandfrei verlaufen ist. Ein Lenkunterstützungsregler könnte zwar alle Laborversuche bestehen, dann aber auf unebenem Straßenbelag eine leichte Schwingung zeigen, weil die Reibung der Zahnstange und die Kopplung mit den Straßenbedingungen in der Testanlage vereinfacht dargestellt wurden. Das bedeutet nicht, dass die „Hardware-in-the-Loop“-Phase versagt hat. Es bedeutet vielmehr, dass diese Phase die Fragen beantwortet hat, für deren Beantwortung sie konzipiert wurde.

Die besten Teams in der Automobilbranche betrachten Modelle, „Hardware-in-the-Loop“-Ansätze, Prüfstände und Fahrzeuge als einen Prozess zur schrittweisen Reduzierung von Unsicherheiten. Genau in diesen Bereich fügt sich SPS SOFTWARE nahtlos ein. Klare, physikalisch basierte Systemmodelle helfen Ihnen dabei, frühzeitig gezieltere Fragen zu stellen, sodass „Hardware-in-the-Loop“-Ansätze dort zum Einsatz kommen, wo sie den größten Mehrwert bieten, und die Zeit im Fahrzeug für die Korrelation statt für die Fehlerbehebung bei der Grundsteuerung genutzt wird.